Kvant. Нейтрон и ядерная энергия

Кикоин А. Нейтрон и ядерная энергия //Квант. — 1992. — № 8. — С. 2-9.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В 1896 году было открыто явление радиоактивности, а в следующие несколько лет усилиями многих исследователей были выяснены все характерные его особенности. Для химиков полной неожиданностью был тот факт, что радиоактивные элементы способны превращаться один в другой: уран сам собой превращается в торий, торий в радий, радий в радон и т. д. Оказалась несостоятельной давняя уверенность в том, что атомы ни при каких условиях не могут превращаться один в другой, делиться. Физиков же поразило испускание атомами радиоактивных элементов огромной энергии в виде быстрых положительно и отрицательно заряженных частиц и квантов электромагнитного излучения. То, что атомы могут испускать энергию, было известно и раньше: так, энергия выделяется атомами при излучении света, при химических реакциях. Но ни одна, ни другая энергия не превышает нескольких электронвольт в расчете на каждый атом. Радиоактивные же превращения сопровождаются выделением энергии порядка миллионов электронвольт на атом.

Кладовая или... кладбище?

Грандиозная кинетическая энергия вылетающих из атома частиц не может появиться иначе, как за счет столь же огромной потенциальной энергии внутри атома. А она свидетельствует о чудовищных взаимодействиях внутри атома. Понятно, что не мог не возникнуть вопрос о возможности их практического использования.

Та энергия, которая в природе выделяется атомами радиоактивных элементов, большого практического интереса не представляет. Испускается она редкими, можно сказать, экзотическими элементами в малых количествах, и притом она совершенно неуправляема. Светящиеся стрелки приборов да некоторые применения в медицине — вот и все, что удалось использовать на практике. Но если вновь открытая энергия содержится в атомах радиоактивных элементов, то, наверное, она должна существовать и в атомах других элементов. И нужно только суметь ее оттуда извлечь или, как тогда говорилось, освободить. Можно ли это сделать?

Здесь мнения разделились. Одни считали, что атом (всякий атом, а не только радиоактивный!) — склад энергии, из которого ее можно извлечь, раз это «умеет» делать природа с радиоактивными атомами. Другие утверждали, что атомы — это кладбище энергии, в котором она надежно захоронена, и освободить ее оттуда никогда не удастся. Так думало большинство специалистов.

Надо иметь в виду, что тогда, в самом начале века, никто не знал, как устроены атомы. Известно было лишь, что в атомах содержатся отрицательно заряженные частицы — электроны и положительный заряд — неизвестно в каком виде. Об «архитектуре» атома лишь строились догадки. Но ясно, что, не зная строения и состава атома, нельзя решить спор о внутриатомной энергии. И проблема строения атома надолго становится главной проблемой физики.

В решении этой проблемы приняли участие самые блестящие физики века. Причем они не были озабочены выяснением того, кто прав в споре, о котором мы здесь говорили. Они искали ответ на вопрос, как устроен атом и какие процессы в нем происходят или могут происходить. Но мы, знающие теперь, чем все это кончилось, можем принять, что целью исследований были и поиски способа получения и использования той энергии, которая таится в недрах атома. Вспомнив известные строки А. С. Пушкина, мы можем сказать, что вся физика «была залогом свиданья верного с» ... тем, что мы теперь называем атомной энергией. О том, как, шаг за шагом, физика пришла к этому «свиданью верному», и будет кратко рассказано дальше.

Шаг за шагом

Эрнест Резерфорд (1871 - 1937).

Нильс Бор (1885 - 1962).

В 1911 - 1912 годах, через 15 лет после открытия явления радиоактивности (и кстати, с помощью этого явления) усилиями экспериментатора Э. Резерфорда и теоретика Н. Бора был решен вопрос об устройстве атома. Появилась так называемая планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Стало также ясно, что химические процессы, при которых выделяется энергия порядка одного или нескольких электронвольт, разыгрываются в электронной оболочке, а поразившая физиков энергия в миллионы электронвольт рождается в недрах атомного ядра. Именно ее теперь чаще всего и называют атомной энергией, хотя следовало бы ее называть ядерной энергией.

В 1919 году, год спустя после первой мировой войны, Э. Резерфорд выполнил замечательную работу по бомбардировке (именно тогда появился этот военный термин в физике) атомов азота альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием (\(~^{214}_{84}Po\)). При этом из ядер азота вылетали быстрые частицы, оказавшиеся ядрами водорода. Эту ядерную реакцию можно записать так:

\(~^{14}_7N + \ ^4_2He \to \ ^{17}_8O + \ ^1_1H.\)

Похожие реакции наблюдались и при бомбардировке альфа-частицами других элементов — бора, фтора, хлора, алюминия и т. д. (всего 13 элементов). Во всех случаях бомбардируемые элементы испускали ядра водорода.

Об опытах Резерфорда говорили и писали, что их главным результатом было открытие одной из составных частей ядра любого элемента — ядра атома водорода, уже в 1920 году названного Резерфордом протоном. И это, конечно, верно. Об этих опытах говорили и писали также, что в них впервые наблюдалось искусственное превращение одних элементов в другие (азот превращался в кислород, алюминий — в кремний и т. д.). Это, разумеется, тоже верно. Но для нас важно то, что в опытах Резерфорда было показано, что именно надо сделать, чтобы извлечь из атомов (точнее — из их ядер) энергию. Для этого, оказывается, нужно ввести в ядро дополнительные частицы (или частицу). На такое «вторжение» ядро реагирует очень бурно — оно испускает быструю частицу (иногда не одну). Кинетическая энергия испускаемой частицы — это и есть «освобожденная» ядерная энергия.

Так, на вторжение альфа-частицы в ядро азота оно ответило испусканием протона. Правда, для того чтобы альфа-частица могла попасть в ядро, она должна обладать достаточной для этого энергией — ведь она отталкивается от ядра. И если мы интересуемся практическим использованием ядерной энергии, то нужно сравнить затраченную энергию — энергию альфа-частицы — с полученной — с энергией протона. В случае с азотом сравнение это показывает, что выигрыша энергии нет — потраченная энергия больше полученной. Но в упомянутой уже выше реакции с алюминием —

\(~^{27}_{13}Al + \ ^4_2He \to \ ^{30}_{14}Se + \ ^1_1H\)

картина совсем другая. Здесь энергия вылетевшего протона на 3 МэВ больше энергии альфа-частицы. Это означает, что каждый атом алюминия дает энергию почти в миллион раз большую, чем атом углерода, участвующий в реакции горения. Казалось бы, задача решена. Надо проектировать и строить установки, в которых роль топлива будет играть алюминий, и перестать сжигать уголь, нефть, газ. Тем более, что алюминия на земле в сотни раз больше, чем углерода. Но никто не спешил создавать такие установки. Дело в том, что положительно заряженные альфа-частицы, у которых положительный заряд равен удвоенному заряду электрона, сильно отталкиваются от ядер, и далеко не всякая альфа-частица проникает в ядро. Лишь одной из сотен тысяч удается это сделать. А значит, КПД процесса не превышает десятых долей процента. Такой КПД не заинтересует ни одного инженера.

Следующий шаг состоял в том, чтобы бомбардировать ядра не альфа- частицами, а протонами, у которых положительный заряд вдвое меньше, а значит, меньше и силы отталкивания от ядер-мишеней. Но в отличие от альфа-частиц, энергия которых достается «бесплатно», протонам надо сначала сообщить кинетическую энергию. А это можно сделать только с помощью достаточно сильного электростатического поля. Так появились ускорители заряженных частиц.

60 лет тому назад, в 1932 году, впервые для бомбардировки ядер были использованы протоны, вылетевшие из ускорителя. И сразу был достигнут впечатляющий успех. Ученики Резерфорда Д. Кокрофт и Э. Уолтон в Англии, а также А. Вальтер, А. Лейпунский и К. Синельников в Харькове осуществили ядерную реакцию на быстрых протонах с литием, который «устоял» перед альфа-частицами в опытах Резерфорда. Реакция, которую они наблюдали, была такой:

\(~^7_3Li + \ ^1_1H \to \ 2 \ ^4_2He.\)

Литий превратился в две альфа-частицы, и, что особенно замечательно, их энергия была равна 17,2 МэВ. А энергия протона, вызвавшего реакцию, была всего около 100 кэВ, т. е. выигрыш энергии составлял порядка 17 МэВ.

Тем не менее, и протоны не решали задачу практического использования ядерной энергии. И по той же причине, что и альфа-частицы. Протоны тоже отталкиваются от ядер, и лишь один из многих сотен тысяч попадает в ядро и участвует в реакции. А ускорять приходится все протоны, в том числе и те, что тратят свою энергию лишь на нагревание литиевой мишени.

В том же 1932 году было сделано еще одно, важное для всей физики и решающее для интересующей нас проблемы ядерной энергии, открытие. Д. Чедвик (тоже ученик Резерфорда) из анализа собственных исследований и опытов других физиков установил, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами из него вылетают неизвестные до того частицы с массой почти такой же, как у протона, но лишенные электрического заряда. Чедвик назвал их нейтронами. Реакция Чедвика записывается так:

\(~^9_4Be + \ ^4_2He \to \ ^{12}_6C + \ ^1_0n.\)

Нейтрон (его обозначают \(~^1_0n\)), как выяснилось, это вторая (после протона) составная часть ядра.

Открытие нейтронов оживило надежды на возможность использования ядерной энергии. Ведь лишенные заряда нейтроны не отталкиваются от ядер и должны легче попадать в ядра. Правда, их нельзя ускорять, как протоны. Но, как оказалось, их и не надо ускорять. Медленные нейтроны легче проникают в ядра, чем быстрые, так что их даже нужно замедлять. Объясняется это тем, что медленно движущийся нейтрон проводит большее время вблизи ядра и имеет больше шансов быть втянутым в Него ядерными силами притяжения.

Нейтрон был сразу принят «на вооружение» исследователями ядра. Он в самом деле оказался много эффективнее, чем протон и альфа-частица. Не один из сотен тысяч, а один нейтрон из ста попадал, например, в ядро азота и вызывал реакцию

\(~^{14}_7N + \ ^1_0n \to \ ^{11}_5B + \ ^4_2He.\)

При этом энергия вылетающей альфа-частицы во много раз больше энергии вызвавшего реакцию нейтрона.

Казалось бы, теперь есть чем извлекать ядерную энергию. Выяснилось, однако, что задача так просто не решается. В отличие от протонов, нейтроны в свободном виде, вне ядра, не существуют. Нейтрон — частица радиоактивная. С периодом полураспада около 11 минут он испускает бета-частицу (электрон) и превращается в протон» Значит, чтобы получить нейтроны для обстрела ядра, их нужно перед самым «употреблением» выбить из ядер. Это можно сделать, например, пользуясь реакцией бомбардировки бериллия альфа-частицами. Но ведь такие реакции, как мы знаем, малоэффективны, и нейтронов получается так мало, что о техническом энергетическом устройстве на этой основе не может быть и речи. Сложилось парадоксальное положение: частицы, которые имеются в изобилии (альфа-частицы и протоны), непригодны для массового получения энергии, а те частицы, которые для этого как нельзя более подходят (нейтроны), не существуют в природе и их нельзя получить в достаточно большом количестве. Казалось, все-таки правы те, кто считал ядро не складом, а кладбищем энергии.

Фредерик Жолио-Кюри (1900 - 1958).

В 1938 году О. Ган и Ф. Штрассман сделали важное открытие, а в 1939 году Л. Мейтнер поняла и объяснила его. Состояло оно в том, что при попадании нейтрона в уран ядро урана реагирует совсем не так, как на это реагировали другие ядра. Вместо того, чтобы испустить одну-две частицы с энергией в несколько миллионов электронвольт, ядро урана после поглощения нейтрона раскалывается на два осколка с энергией в 80 МэВ каждый. При этом осколки ядра урана, которые тоже представляют собой ядра атомов, оказываются бета-радиоактивными, и к 160 МэВ энергии осколков добавляются еще около 40 МэВ энергии бета-частиц и сопровождающего их гамма-излучения. Так что на каждое ядро урана, испытавшего, как говорят, деление, приходится энергия в 200 МэВ — это даже для ядерных процессов впечатляющая величина. А нейтрон, вызвавший этот взрыв, может быть очень медленным, т. е. почти лишенным энергии.

Само по себе это удивительное явление для решения проблемы использования ядерной энергии ничего не дает, потому что остается прежний вопрос — где взять нейтроны. Природа, однако, дала ответ и на него. В том же 1939 году многими исследователями (среди них Ф. Жолио-Кюри) было установлено, что осколки деления ядер урана, сильно перегруженные нейтронами, как бы теряют по 2 - 3 (в среднем 2,5) нейтрона в каждом акте деления. Некоторые из них теряются в самый момент деления, некоторые немного позже (так называемые запаздывающие нейтроны). Вот эти-то, как их называют, нейтроны деления и могут вызывать деления других ядер.

Оказалось, таким образом, что при делении ядер урана выделяется не только вожделенная ядерная энергия, но и столь же вожделенные нейтроны, которые так трудно получить в большом количестве. Достаточно одному-единственному нейтрону попасть в одно из ядер куска урана и вызвать его деление, чтобы возникла так называемая цепная реакция. И действительно, первое ядро превратится в два осколка и появятся два (или три!) нейтрона. Они очень быстро попадут в другие два ядра, вызовут их деление, и появятся уже 4 осколка и 8 нейтронов. Попав в новые 8 ядер, они, в свою очередь, дадут 16 осколков и 32 нейтрона и т. д. Как снежный ком (но несравненно быстрее) будет расти число осколков и число нейтронов. Разумеется, некоторая часть нейтронов может быть потеряна для процесса цепной реакции. Одни нейтроны могут еще до встречи с очередными ядрами вылететь из куска урана, другие могут попасть в ядра, но не вызвать деления, и т. п. Тем не менее, цепная реакция, должна возникнуть и иметь взрывной характер. Кусок урана должен превратиться в огненный шар.

Цепная реакция деления тяжелых ядер.

Но природа приберегла для физиков еще один сюрприз, вернее сюрприз-преграду. Выяснилось, что все описанное выше — деление ядер урана с выделением огромной энергии, нейтроны деления, обеспечивающие возможность цепной реакции,— относится только к так называемому легкому изотопу урана — \(~^{235}_{92}U\). А в природном уране такого изотопа всего 0,7 %. Ядра же тяжелого изотопа — \(~^{238}_{92}U\) — только мешают течению цепной реакции, так как они поглощают нейтроны и выводят их из процесса. Перед физиками возникла трудно разрешимая проблема разделения изотопов — выделения из природного урана его легкого изотопа.

Энрико Ферми (1901 - 1954).

И все же оказалось возможным получить цепную ядерную реакцию даже на природном уране — были приняты меры к тому, чтобы нейтроны деления урана-235 не поглощались ураном-238. Этого можно добиться, если сделать нейтроны деления, которые рождаются быстрыми, нейтронами медленными. Что и удалось осуществить Э. Ферми, рассчитавшему и построившему специальную конструкцию из урана и графита. Графит замечателен тем, что он не поглощает, а только замедляет нейтроны. Пятьдесят лет тому назад, 2 декабря 1942 года, в Чикаго Ферми впервые в истории осуществил цепную ядерную реакцию в устройстве, называемом ядерным реактором (тогда оно называлось котлом). Это был гигантский успех: был найден способ получения управляемой ядерной энергии. Об этом событии в условиях тогдашней строгой секретности было сообщено начальству в такой телеграмме: «Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света и был дружественно «встречен туземцами» (в 1942 году исполнилось 450 лет со времени открытия Америки Колумбом, который, как и Ферми, был итальянцем). В 1946 году, и тоже в декабре, успех Ферми был повторен в нашей стране И. В. Курчатовым.

Интересно, что тяжелый изотоп урана в реакторе оказался не только помехой цепной реакции. Нейтроны определенной энергии при попадании в ядро \(~^{238}_{92}U\) превращают его в изотоп \(~^{239}_{92}U\) с испусканием гамма-кванта:

\(~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U + \gamma.\)

Новый изотоп урана радиоактивен и, испустив бета-частицу, превращается в ядро элемента нептуния:

\(~^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}e.\)

Этот нептуний тоже радиоактивен и превращается в ядро плутония:

\(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e.\)

Причем превращение урана в плутоний происходит довольно быстро: у \(~^{239}_{92}U\) и \(~^{239}_{93}Np\) периоды полураспада невелики — 23 минуты и 2,3 дня соответственно. Изотоп же плутония испускает альфа-частицу и превращается в... \(~^{235}_{92}U\):

\(~^{239}_{94}Pu \to \ ^{235}_{92}U + \ ^4_2He.\)

Казалось бы, счастливая находка: вредный тяжелый уран превращается в нужный для цепной реакции легкий уран. Но... у радиоактивного плутония период полураспада около 24 000 лет, так что пользы от этого превращения не дождаться. Однако ждать и не нужно\[~^{239}_{94}Pu\] во всем сходен с \(~^{235}_{92}U\) и годится для осуществления цепной реакции. Ядерный реактор оказался не только источником энергии, но и поставщиком ядерного горючего (и взрывчатого вещества).

Схема активной зоны атомного реактора.

Тем временем велась работа и по выделению чистого \(~^{235}_{92}U\). Нужно заметить, что физики умели разделять изотопы еще до войны. Но разработанные лабораторные методы позволяли получать лишь миллионные доли грамма чистого изотопа. Этого было достаточно для научных исследований, но для проведения цепной реакции требовались килограммы, десятки килограммов. Значит, нужно было увеличить масштаб «производства» в миллиарды раз. Двадцать тысяч рабочих, инженеров и специалистов — физиков и химиков — все же справились с этой задачей. В 1945 году нужное количество урана было накоплено, и ядерная энергия была получена в ее взрывном варианте — появилось ядерное оружие, тут же использованное американцами для атаки на японские города Хиросима и Нагасаки. В нашей стране задача разделения изотопов урана тоже была решена, и в 1949 году была испытана наша первая ядерная бомба.

Игорь Васильевич Курчатов (1903 - 1960).

Так решился вопрос о том, что же такое атомное ядро — кладовая или кладбище энергии. Безусловно, атомное ядро — склад энергии, причем с очень надежным замком. Но ключ к этому замку есть. Это нейтрон.

Что такое хорошо и что такое плохо?

В этой статье развитие атомной и ядерной физики представлено как поиск ответа на вопрос, можно ли получить и использовать ядерную энергию. В действительности вплоть до второй мировой войны физики не ставили перед собой такой задачи. Они, как и полагается исследователям природы, изучали атом, а затем и атомное ядро, чтобы узнать, какие законы там действуют и какие явления там происходят. Оказалось, что эти законы и явления допускают возможность получения и использования ядерной, энергии, которая немедленно властно вторглась в жизнь людей, в политику государств. Уж очень эта энергия велика!

О законах природы, о научных открытиях не принято, да и не имеет смысла, говорить и спорить, хороши они или плохи. Но о ядерной энергии вот уже полвека идут споры именно такого рода. Говорят, например, что ядерное оружие — это оружие массового уничтожения и что оно таит в себе опасность гибели человеческой цивилизации и человечества. Это верно, и это, конечно, плохо.

Но с другой стороны, не надо забывать, что, по-видимому, именно ядерное оружие предотвратило третью мировую войну. Сейчас мир явно движется к тому, чтобы ядерные бомбы, как орудие войны, были запрещены. Но ядерные бомбы можно использовать и для мирных, полезных целей. Оказалось, например, что подземные ядерные взрывы помогают существенно увеличить добычу нефти в глубоких месторождениях. Предотвращение мировой войны, мирные ядерные взрывы заслуживают, очевидно, оценки «хорошо».

Ядерные реакторы, используемые для получения энергии на ядерных электростанциях (их, впрочем, называют атомными станциями), за пятьдесят лет получили широкое применение. Во многих странах они дают 20 - 40 процентов потребляемой энергии, а во Франции даже 70 % (в нашей стране — около 10 %). Ядерные станции не дымят и не отравляют атмосферу. Они сберегают уголь, нефть, газ — ценное химическое сырье. К тому же запасы этих видов топлива истощаются и рано или поздно иссякнут. Получается, что ядерная энергия пришла к людям своевременно. Это как будто хорошо.

Но... эксплуатация ядерных электростанций связана с возможностью новых для человечества загрязнений — радиоактивных. Ведь осколки деления сильно радиоактивны. Насколько эта опасность серьезна, показала авария в Чернобыле. Об этом, конечно, ничего хорошего сказать нельзя. Необходимо, чтобы физика, сделавшая возможным использование ядерной энергии, сделала ее и вполне безопасной. И прежде всего нужно, чтобы у пультов управления на ядерных электростанциях находились хорошо подготовленные и добросовестные люди.

Еще одна годовщина

Сорок лет тому назад была открыта другая возможность получения ядерной энергии. В 1952 году на атолле Бикини в Тихом океане американцы осуществили первый взрыв так называемой термоядерной бомбы, а вскоре такой взрыв был проведен и в нашей стране. Этот способ получения ядерной энергии во многом прямо противоположен описанному выше ураново-плутониевому способу. В урановом варианте «зачинщиком» реакции является нейтрон, а конечным «продуктом» — высокая температура. В термоядерном способе, наоборот, все начинается с создания очень высокой температуры, а нейтроны — один из конечных продуктов реакции. В урановом способе «действующие лица» — ядра атомных элементов конца таблицы Менделеева, в термоядерном — самого ее начала.

И еще одно различие. Как мы видели, сначала был создан урановый ядерный реактор, а через три года ядерная бомба. В термоядерном же случае оружие появилось 40 лет тому назад, а управляемый термоядерный реактор не удалось пустить в ход и до сих пор, несмотря на усилия физиков многих стран. Но можно не сомневаться в том, что термоядерная энергия — это энергия XXI века и последующих веков. Надеюсь, что те школьники — читатели этой статьи,— кто выберет своей специальностью физику, станут участниками разработки и создания термоядерных реакторов. А в том, что все читатели будут потребителями термоядерной энергии в XXI веке, я почти не сомневаюсь.